Analise das tensões residuais em tubos trefilados de aço inox ABNT 304

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Autor

Analise das tensões residuais em tubos

trefilados de aço inox ABNT 304

Nome do Autor

Analise das tensões residuais em tubos

trefilados de aço inox ABNT 304

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Universidade Federal de São João del-Rei, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica

Área de Concentração: Materiais e processos de Fabricação

Orientador: Co-orientador:

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA

F884p

Freitas, José da Silva

Título / José João da Silva –São João del Rei, MG: [s.n.], 2010.

Orientador:

Dissertação/Tese - Universidade Federal de São João del Rei.

1. 2. 3. 4. I. , . II. Universidade Federal de São João del Rei. III. Título.

Titulo em Inglês: Palavras-chave em Inglês: Área de concentração: Titulação: Banca examinadora: Data da defesa: Programa de Pós-Graduação:

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Analise das tensões residuais em tubos

trefilados de aço inox ABNT 304

Autor:

A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:

____________________________________________________ Prof. Dr. Pedro Pedra Pedreira , Presidente

Instituição

____________________________________________________ Prof. Dr. Mario Maria mariano

Instituição

____________________________________________________ Prof. Dr. Humberto Humbral do Brasil

Instituição

Agradecimentos

Este trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às quais presto minha homenagem:

Aos meus pais pelo incentivo em todos os momentos da minha vida. Ao meu orientador, que me mostrou os caminhos a serem seguidos.

A todos os professores e colegas, que ajudaram de forma direta e indireta na conclusão deste trabalho.

(Página de Epígrafe)

Mais vale um pássaro na mão que dois voando

Resumo

Elementos tubulares que apresentem tensões residuais compressivas na parede interna poderiam vir a ser utilizados como componentes mecânicos resistentes à tensões cíclicas de torção e flexão. Este trabalho tem por objetivo propor um conjunto de ferramentas que induzam tais tensões residuais compressivas na parede interna dos tubos trefilados de Aço Inox ABNT 304, simultaneamente, reduzindo o esforço de trefilação necessário e, também propõe métodos indiretos para a determinação destas tensões residuais, uma vez que o método convencional de medição por difração de raios-x exige uma superfície plana para sua execução. Para a execução deste trabalho foram feitas simulações da trefilação de tubos através de modelos criados por meio de métodos analíticos e do Método dos Elementos Finitos. Ensaios experimentais da trefilação de tubos com plugs fixos onde se variou o lubrificante, a velocidade de trefilação e o tipo de lubrificação também foram executados. Os resultados obtidos nos ensaios experimentais foram comparados aos obtidos nas simulações para validar aqueles modelos. Estes resultados mostraram que se pode empregar o método proposto para a determinação das tensões residuais e que o conjunto de ferramentas empregado foi eficiente na redução da força de trefilação e na indução de tensões residuais compressivas na parede interna dos tubos trefilados

Abstract

Tubular components that present compressive residual stresses in their inner surface can be used as mechanical parts to improve their resistance to torsion and bending cyc1ic stresses. The main objective of this work is to design a cold drawing tool set to generate these compressive residual stresses within ABNT 304 stainless steel tubes, and concurrent1y reduce the drawing loads. This work also presents an indirect experimental procedure to determine these residual stresses, since the conventional x-ray diffraction method used to measure these stresses demands a planar surface. Tube drawing was simulated by analytical methods and by the finite element method. Experimental tests with the tube drawing tool set were also carried out with fixed plugs to analyze the influence of the lubricant, drawing speed and lubrication regimes on the drawing load. Experimental results were compared to numerica1 results to validate these models and to define the best drawing conditions. These results showed that the x-ray diffraction method used in this work is reliable to determine the residual stresses. It was also shown that the tube drawing tool set was efficient to reduce the drawing load and to generate compressive residual stresses in the inner surface of the drawn tubes

Lista de Ilustrações

Lista de Tabelas

3.1 parametros operacionais 27

Lista de Abreviaturas e Siglas

Letras Latinas

a - raio da esfera [m]

A - área superficial da esfera [m2_]

...

...

...

e - propriedade avaliada na evaporação

...

Abreviações

PCM - Material de mudança de fase

PRD - Produto genérico de adimensionais; Siglas

DETF - Departamento de Engenharia Térmica e Fluidos

SUMÁRIO

6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS 71

REFERÊNCIAS 90

ANEXO 95

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

A integridade da superfície deve ser entendida como a inexistência de quaisquer fatores que possam reduzir a resistência mecânica do produto em serviço, assim como também a inexistência de falhas que comprometam visualmente a aparência do produto, tornando-o inaceitável. Dentre os diversos fatores que podem comprometer a integridade superficial do produto podem ser arrolados a rugosidade, trincas e micro-trincas, micro-dureza e tensões residuais. O efeito dos lubrificantes e da lubrificação sobre a integridade das superfícies vem sendo estudado com certa ênfase para os processos de fabricação por usinagem (KANNAN e KISHAWY, 2008; RECH, at all, 2008). Porém, para a conformação mecânica, estes estudos se iniciam.

Dentre os fatores que caracterizam a integridade superficial, as tensões residuais apresentam um papel importante porque, dependendo de sua intensidade e da natureza trativa, elas reduzem significativamente a vida em serviço do produto, além de estabelecer parâmetros de processamento para a fabricação que minimizem os efeitos prejudiciais dela decorrentes.

Os processos de conformação mecânica a frio também induzem tensões residuais nas peças conformadas na região deformada. A conformação a frio apresenta aspectos importantes na fabricação. As peças conformadas a frio apresentam boa qualidade superficial, tolerâncias dimensionais mais fechadas e controladas, além do aumento da resistência mecânica por causa da estrutura de distribuição das fibras e encruamento (MONEZI, 2005). Aqui também, deseja-se minimizar as tensões residuais trativas em elementos submetidos a esforços mecânicos cíclicos, pelas mesmas razões de que tais tensões facilitam a falha desses elementos por fadiga. O método tradicional de se medir as tensões residuais utiliza a difração de raios-x. Entretanto uma nova técnica

15 vem sendo estudada através da qual se permite determinar a presença de tensões residuais através de ensaios de indentação (OLIVEIRA at all, 2009). O método se baseia no conceito de que, se existe uma tensão residual de compressão na superfície, esta dificultará a penetração do indentador, resultado em uma tensão residual maior do que em uma superfície livre destas tensões. No caso contrário, se existirem tensões residuais trativas na superfície, a dureza resultará menor.

Por outro lado, a conformação a frio exige a presença de lubrificação com o fito de reduzir as forças envolvidas e o desgaste das ferramentas. Entretanto, este elemento é, via de regra, agressivo ao homem e a natureza. Recentemente, tem-se dado atenção à substituição de lubrificantes de base mineral por lubrificantes de base renovável (WILLING, 2001; WAGNER at all, 2001). Os estudos tem se concentrado nos efeitos deste tipo de lubrificante sobre a natureza e sobre o ser humano, tendo ficado bem estabelecido o benefício advindo da sua aplicação. Além de serem oriundos de fontes renováveis, tais lubrificantes são biodegradáveis, com um tempo de degradação curto. Contudo, um estudo da eficiência de tais lubrificantes nos processos de fabricação, no sentido de redução dos esforços e qualidade do produto no que tange a sua integridade superficial, livre de defeitos e tensões residuais não foi ainda estabelecido.

O processo de extrusão de alumínio é comum e útil para a produção de extrudados com forma de secção complexa e parede fina. No estudo acerca do efeito da utilização de óleos vegetais no processo de extrusão a frio é importante salientar que, ao contrário de outros processos de conformação, tais como forjamento e laminação, o processo de extrusão de perfis de liga de alumínio tem geralmente grandes reduções de área e, conseqüentemente, grandes deformações.

A extrusão é um processo de conformação plástica que consiste em fazer passar um tarugo (colocado dentro de um recipiente, pela abertura existente no meio de uma ferramenta alocada na extremidade do recipiente, por meio da ação de compressão de um pistão acionado. A extrusão fornece comumente produtos como perfis e tubos bem como barras de seção circular como no caso deste estudo.

16 A lubrificação nestes processos é de grande importância visto que existe um contato direto entre o tarugo e a ferramenta, portanto atrito entre as duas superfícies. O efeito do lubrificante no processo é bem vindo, pois, diminuindo o atrito entre as duas superfícies, é possível diminuir tanto a força aplicada no processo para que o tarugo

CAPÍTULO 2

REVISÃO DA LITERATURA

Os processos de conformação mecânica a frio também induzem tensões residuais nas peças conformadas na região deformada. A conformação a frio apresenta aspectos importantes na fabricação. As peças conformadas a frio apresentam boa qualidade superficial, tolerâncias dimensionais mais fechadas e controladas, além do aumento da resistência mecânica por causa da estrutura de distribuição das fibras e encruamento (MONEZI., 2005). Aqui também, deseja-se minimizar as tensões residuais trativas em elementos submetidos a esforços mecânicos cíclicos, pelas mesmas razões de que tais tensões facilitam a falha desses elementos por fadiga. O método tradicional de se medir as tensões residuais utiliza a difração de raios-x. Entretanto uma nova técnica vem sendo estudada através da qual se permite determinar a presença de tensões residuais através de ensaios de indentação (OLIVEIRA at all, 2009). O método se baseia no conceito de que, se existe uma tensão residual de compressão na superfície, esta dificultará a penetração do indentador, resultado em uma tensão residual maior do que em uma superfície livre destas tensões. No caso contrário, se existirem tensões residuais trativas na superfície, a dureza resultará menor.

CAPÍTULO 3

MODELAGEM TEÓRICA

Os processos de conformação mecânica a frio também induzem tensões residuais nas peças conformadas na região deformada. A conformação a frio apresenta aspectos importantes na fabricação. As peças conformadas a frio apresentam boa qualidade superficial, tolerâncias dimensionais mais fechadas e controladas, além do aumento da resistência mecânica por causa da estrutura de distribuição das fibras e encruamento (MONEZI, 2005). Aqui também, deseja-se minimizar as tensões residuais trativas em elementos submetidos a esforços mecânicos cíclicos, pelas mesmas razões de que tais tensões facilitam a falha desses elementos por fadiga. O método tradicional de se medir as tensões residuais utiliza a difração de raios-x. Entretanto uma nova técnica vem sendo estudada através da qual se permite determinar a presença de tensões residuais através de ensaios de indentação (OLIVEIRA at all, 2009). O método se baseia no conceito de que, se existe uma tensão residual de compressão na superfície, esta dificultará a penetração do indentador, resultado em uma tensão residual maior do que em uma superfície livre destas tensões. No caso contrário, se existirem tensões residuais trativas na superfície, a dureza resultará menor.

CAPÍTULO 4

ANÁLISE EXPERIMENTAL

A matriz foi confeccionada em aço 1045 temperado e revenido.

As principais características da matriz são diâmetro de entrada = 16 mm, diâmetro de saída = 14 mm, semi-ângulo de trabalho = 4º e comprimento da zona de calibração = 3 mm. A ferramenta produz uma redução de área de 23,8%. A Figura 4.1 apresenta uma representação esquemática do procedimento de extrusão.

A matriz e o punção sofreram tratamento térmico de têmpera e revenido, com dureza de 520HV.

Figura 4.1– Esquema da extrusão

4.1 – Corpos de prova

O material escolhido para o presente estudo é o Alumínio 7015. Os corpos de prova foram confeccionados no formato de tarugos cilíndricos de alumínio com dimensões

CAPÍTULO 5

RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Tabela 5.3 traz a Análise da Variância para este caso em estudo, onde a variável A é o tipo de óleo, a Variável B é a temperatura e a variável C é o estado do lubrificante. Ftab é o valor tabelado da estatística de Fisher, para o nível de significância de 5% e Fcalc é o valor da estatística de Fisher calculada.

Ho é a hipótese nula da igualdade das médias. Conforme se verifica, rejeitamos a igualdade das médias das viscosidades dos lubrificantes, entre os óleos estudados , entre as temperaturas e entre os estados do óleo. Isto significa que a viscosidade do óleo varia com a temperatura, sendo menor para temperaturas maiores. O óleo no estado recebido é mais viscoso do que o óleo depois de trabalhado, para o mesmo tipo de óleo e para a mesma temperatura. O teste de contraste mostrou que a viscosidade do óleo de milho é igual a do óleo de soja, ambos no estado recebido.

Tabela 5.3 – Análise da Variância da viscosidade dos lubrificantes Medias Fcalc Ftab

SST 64553,9 SSA 7230,22 1807,55 4876,77 2,52521 REJEITA Ho SSB 257,759 257,759 695,433 4,00119 REJEITA Ho SSC 47403,3 23701,6 63946,9 3,15041 REJEITA Ho SSAB 170,919 42,7299 115,285 2,52521 REJEITA Ho SSAC 9035,91 1129,49 3047,35 2,09696 REJEITA Ho SSBC 81,7297 40,8648 110,253 3,15041 REJEITA Ho SSABC 351,851 43,9814 118,661 2,09696 REJEITA Ho SSErro 22,2387 0,37064

CAPÍTULO 6

CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS

A partir destes estudos pode-se pensar em novas linhas de pesquisas tais como: a. Dddddddddddddd

b. Jjjjjjjj

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Referências

BIANCH, E. C., MONICI, R. D., SILVA, E. J., AGUIAR, P. R., VALARELLI, I. D.D. Analise do Comportamento da Microestrutura de Materiais Endurecidos Retificados com Rebolos de CBN. Revista Materials Research, v. 3 n. 4, p. 147-154, 2000.

BRESCIANI FILHO, E. Conformação Plástica dos Metais. 4.ed. Campinas: LTC, 1991. p. 63-89.

CALLISTER Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução.5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. p-94-95-96.

KANNAN, S. and KISHAWY, H.A. Effect of tool wear progression on cutting forces and surface quality during cutting metal matrix composites. International Journal of Machining and Machinability of Materials. Vol. 3, n. 3-4 / 2008 pp. 241 – 251

MONEZI, C. Temas de Producao e Controle ll, seminarios 1o semestre de 2005. SãoPaulo: Mackenzie. Disponivel em http://meusite.mackenzie.com.br/carlos-monezi/ seminarios/ 1o_semestre/1_2005/forjamento.pdf. Acesso em: 31 de maio 2006.

OLIVEIRA, R. A. ; BRAGA, D. U.; NEVES, F. O. . Residual Stress Evaluation In Cold Forming Using Indentation Test. In: 20th International Congress of Mechanical Engineering, 2009, Gramado. Proceedings of COBEM 2009. Rio de janeiro : ABCM, 2009. v. 1. p. 1-7.

RECH, J and CLAUDIN, C. Influence of cutting tool constitutive parameters on residual stresses induced by hard turning. International Journal of Machining and Machinability of Materials. Vol. 4, n.1, 2008, pp. 39-50

25 WHITE FRANK, M. Mecânica dos Fluidos. 4.ed. Rio de Janeiro: McGraw-Hill, 2002. p.

14-18.

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